分享5V转3.3V的几种方法.docx

今天为大家分享5V转3. 3V的多种方法。使用LDO稳压器标准三端线性稳压器的压差通常是2. 0-3. 0V。要把5V可靠地转换为3.3V,就不能使用它们。压差为儿白.个毫伏的低压降(Low Dropout, LDO)稳压器，是此类应用的理想选择。图1T是基本LDO系统的框图，标注了相应的电流。从图中可以看出，LDO由四个主要部分组成：1.导通晶体管2带隙参考源3.运算放大器4.反馈电阻分压器在选择LDO时，重要的是要知道如何区分各种LDO。器件的静态电流、封装大小和型号是重要的器件参数。根据具体应用来确定各种参数，将会得到最优的设计。图LDO电压稳压器LDO的静态电流IQ是器件空载工作时器件的接地电流IGNDo IGND是LD0用来进行稳压的电流。当IOUT>>IQ时，LDO的效率可用输出电压除以输入电压来近似地得到。然而，轻载时，必须将IQ计入效率计算o具有较低1Q的LDO其轻载效率较高。轻载效率的提高对于LDO性能有负面影响。静态电流较高的LDO对于线路和负载的突然变化有更快的响应。采用齐纳二极管的低成本方案这里详细说明了一个采用齐纳二极管的低成本稳压器方案。齐纳电源+5VRi470PICmicro MCUVDDDiVss可以用齐纳二极管和电阻做成简单的低成本3.3V稳压器，如图2-1所示。在很多应用中，该电路可以替代LDO稳压器并具成本效益。但是，这种稳压器对负载敏感的程度要高于LDO稳压器。另外，它的能效较低，因为R1和D1始终有功耗。R1限制流入D1和PlCmicro® MCU的电流，从而使VDD保持在允许范围内。由于流经齐纳二极管的电流变化时，二极管的反向电压也将发生改变，所以需要仔细考虑R1的值。R1的选择依据是：在最大负载时通常是在PICdcro MCU运行且驱动其输出为高电平时 R1上的电压降要足够低从而使PlCmicro MCU有足以维持工作所需的电压。同时，在最小负载时一一通常是PlCmicroMCU复位时VDD不超过齐纳二极管的额定功率，也不超过PlCmicroMCU的最大VDDo采用3个整流二极管的更低成本方案3-1：二极管电源d2D3PlCmicro®MCU图3-1详细说明了一个采用3个整流二极管的更低成本稳压器方案。我们也可以把几个常规开关二极管串联起来，用其正向压降来降低进入的PICmicro MCU的电压。这甚至比齐纳二极管稳压器的成本还要低。这种设计的电流消耗通常要比使用齐纳二极管的电路低。所需二极管的数量根据所选用二极管的正向电压而变化。二极管D1-D3的电压降是流经这些二极管的电流的函数。连接R1是为了避免在负载最小时通常是PICmicro MCU处于复位或休眠状态时PICmicroMCU VDD引脚上的电压超过PICnicro MCU的最大VDD值。根据其他连接至VDD的电路，可以提高R1的阻值，甚至也可能完全不需要Rio二极管D1-D3的选择依据是：在最大负载时通常是PICmicro MCU运行且驱动其输出为高电平时一一D1-D3上的电压降要足够低从而能够满足PICmicro MCU的最低VDD要求。4使用开关稳压器如图4-1所示，降压开关稳压器是一种基于电感的转换器，用来把输入电压源降低至幅值较低的输出电压。输出稳压是通过控制MOSFET Q1的导通（ON）时间来实现的。由于MOSFET要么处于低阻状态，要么处于高阻状态（分别为ON和OFF）,因此高输入源电压能够高效率地转换成较低的输出电压。当Q1在这两种状态期间时，通过平衡电感的电压-时间，可以建立输入和输出电压之间的关系。(Vs - Vo) *t011 = Vo * (T - ton)其中：T t011 Duty Cycle对于 MOSFET Q1 ,有下式：Duty_CycleQ1 = Vo Vs在选择电感的值时，使电感的最大峰-峰纹波电流等于最大负载电流的百分之十的电感值，是个很好的初始选择。V = L* (didt)L = (Vs-Vo)*(toIo*0.10)在选择输出电容值时，好的初值是：使LC滤波器特性阻抗等于负载电阻。这样在满载工作期间如果突然卸掉负载，电压过冲能处于可接受范围之内。Zo L/CC = LR2 = ( * L)M在选择二极管D1时，应选择额定电流足够大的元件，使之能够承受脉冲周期(IL)放电期间的电感电流。图 4-1：降压（BUCK）稳压器数字连接：在连接两个工作电压不同的器件时，必须要知道其各自的输出、输入阈值。知道阈值之后，可根据应用的其他需求选择器件的连接方法。表4-1是本文档所使用的输出、输入阈值。在设计连接时，请务必参考制造商的数据手册以获得实际的阈值电平。表输入/输出阈值V°H最小值Vol最大值V1H最小值v1l最大值5V TTL2.4V0.5V2.0V0.8V3.3VLVTTL2.4V0.4 V2.0V0.8V5VCMOS4.7V(Vcc-0.3V)0.5V3.5V(0.7xVcc)1.5V(0.3xVcc)3.3VLVCMOS3.0V(VCC-O.3V)0.5V2.3V(0.7xVcc)1.0V(0.3xVcc)53. 3V -5V直接连接将3. 3V输出连接到5V输入最简单的方法是直接连接，但直接连接需要满足以下2点要求： 3.3V输出的VOH大于5V输入的VIH 3.3V输出的VOL小于5V输入的VIL能够使用这种方法的例子之一是将3. 3V LVCMOS输出连接到5V TTL输入。从表4-1中所给出的值可以清楚地看到上述要求均满足。3.3VLVCMOS 的 VOH (3. OV)大于 5V TTL 的 VIH (2. 0V)且 3. 3V LVCMOS的 VOL (0. 5V)小于 5V TTL 的 VIL (0. 8V) o如果这两个要求得不到满足，连接两个部分时就需要额外的电路。可能的解决方案请参阅技巧6、7、8和13。6使用MOSFET转换器如果5V输入的VIH比3. 3V CMOS器件的VOH要高，则驱动任何这样的5V输入就需要额外的电路。图6-1所示为低成本的双元件解决方案。在选择R1的阻值时，需要考虑两个参数，即：输入的开关速度和R1上的电流消耗。当把输入从0切换到1时，需要计入因R1形成的RC时间常数而导致的输入上升时间、5V输入的输入容抗以及电路板上任何的杂散电容。输入开关速度可通过下式计算：Tsw = 3 x R x (Cin ÷ Cs)由于输入容抗和电路板上的杂散电容是固定的，提高输入开关速度的惟一途径是降低K1的阻值。而降低R1阻值以获取更短的开关时间，却是以增大5V输入为低电平时的电流消耗为代价的。通常，切换到0要比切换到1的速度快得多，因为N沟道MOSFET的导通电阻要远小于Rio另外，在选择N沟道FET时，所选FET的VGS应低于3.3V输出的VOHo图 6-1：MOSFET转换器3.3VLVCMOS输出5V输入7使用二极管补偿表7-1列出了 5V CMOS的输入电压阈值、3. 3VLVTTL和LVCMOS的输出驱动电压。表输入/输出阈值5VCMOS输入3.3VLVTTL输出3.3VLVCMOS输出高电压阈值> 3.5V> 2.4V> 3.0V低电压阈值< 1.5V< 0.4V<0.5V从上表看出,5V CMOS输入的高、低输入电压阈值均比3.3V输出的阈值高约一伏。因此，即使来自3.3V系统的输出能够被补偿，留给噪声或元件容差的余地也很小或者没有。我们需要的是能够补偿输出并加大高低输出电压差的电路。7-1：二极管补偿3.3V。-*1D2D13.3V输出fAWo 5VRi5V输入输出电压规范确定后，就已经假定：高输出驱动的是输出和地之间的负载，而低输出驱动的是3.3V和输出之间的负载。如果高电压阈值的负载实际上是在输出和3.3V之间的话，那么输出电压实际上要高得多，因为拉高输出的机制是负载电阻，而不是输出三极管。如果我们设计一个二极管补偿电路（见图7-1）,二极管D1的正向电压（典型值0.7V）将会使输出低电压上升，在5V CMOS输入得到1. IV至L2V的低电压。它安全地处于5V CMOS输入的低输入电压阈值之下。输出高电压由上拉电阻和连至3.3V电源的二极管D2确定。这使得输出高电压大约比3. 3V电源高0. 7V,也就是4. 0到4. IV,很安全地在5V CMOS输入阈值 （3. 5V）之上。注：为了使电路工作正常，上拉电阻必须显著小于5V CMOS输入的输入电阻，从而避免由于输入端电阻分压器效应而导致的输出电压下降。上拉电阻还必须足够大，从而确保加载在3.3V输出上的电流在器件规范之内。8使用电压比较器比较器的基本工作如下：反相（-）输入电压大于同相（+ ）输入电压时，比较器输出切换到Vsso 同相（+）输入端电压大于反相（-）输入电压时，比较器输出为高电平。为了保持3.3V输出的极性，3.3V输出必须连接到比较器的同相输入端。比较器的反相输入连接到由R1和R2确定的参考电压处，如图8-1所示。比较器转换器计算R1和R2R1和R2之比取决于输入信号的逻辑电平。对于3.3V输出，反相电压应该置于VOL与VOH之间的中点电压。对于LVCMOS输出，中点电压为：1 75/ = (3.0P+0.5Q如果R1和R2的逻辑电平关系如下,/ 5VR1 = R2 p75p -1若R2取值为1K,则R1为L8K。经过适当连接后的运算放大器可以用作比较器，以将3.3V输入信号转换为5V输出信号。这是利用了比较器的特性，即：根据“反相”输入与“同相”输入之间的压差幅值，比较器迫使输出为高（VDD）或低（Vss）电平。注：要使运算放大器在5V供电下正常工作，输出必须具有轨到轨驱动能力。运算放大器用作比较器5V输入Vss9直接连接通常5V输出的VOH为4. 7伏,VOL为0.4伏；而通常3. 3V LVCMOS 输入的 VIH 为 0. 7 x VDD, VIL 为 0. 2 x VDDo当5V输出驱动为低时，不会有问题，因为0.4伏的输出小于0.8伏的输入阈值。当5V输出为高时，4. 7伏的VOH大于2. 1伏VIH,所以，我们可以直接把两个引脚相连，不会有冲突，前提是3.3V CMOS输出能够耐受5伏电压。耐受5V的输入能够耐受5V输入的3V CMOSRsW-5V TTL输出如果3.3V CMOS输入不能耐受5伏电压，则将出现问题，因为超出了输入的最大电压规范。可能的解决方案请参见技巧10-13o10使用二极管钳位很多厂商都使用钳位二极管来保护器件的I/O引脚，防止引脚上的电压超过最大允许电压规范。钳位二极管使引脚上的电压不会低于Vss超过